自重及地震工況條件下露天采石場邊坡穩定性分析

陳 貴

(新疆中巖恒泰爆破工程有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

邊坡的穩定度通常用安全穩定系數來衡量與評價,是指邊坡在不受人類作業干擾及擾動狀態下的穩定度,屬于邊坡自身性質,不會隨人的主觀能動性而變化[1]。安全系數是一個數值,是根據人的需求對邊坡進行穩定性分析后得到的一個可供參考及決策的系數,對安全生產及管理具有指導性意義。現代化建設中,很多行業將石材作為基礎材料(如縱橫交錯的高速公路及鐵路、鋼筋水泥澆筑的高樓大廈、各種冶金工業的原材料等),需要將礦石從巖體中挖出再進行加工利用[2-3]。由于需求量不斷加大,很多礦山企業不顧生產規律,肆意開挖,對礦山的整體生態環境造成了嚴重破壞,導致邊坡又高又陡,存在滑坡及垮塌風險及隱患[4],故需對利用露天開采方法作業的采石場進行合理分析,評估其邊坡安全狀況,及時整改存在的風險及隱患,提出預防滑坡及垮塌措施,保障礦山的安全生產[5]。

新疆某灰巖采石場開采礦種主要用于建筑石材用料,根據該礦山有用礦體的埋藏條件及深度、礦區地形條件及《采礦許可證》設定的開采方式等定為露天開采方式。從地表開始,逐個臺階開挖,開采到礦坑底部,將礦體采出。礦山開采設計采用雙刀切石機聯合金剛石串珠繩鋸切割開采工藝,荒料加工成條石、塊石,邊角余料經破碎后通過公路汽車運輸將礦石運輸至加工廠加工。礦區位于背斜北東翼,區域地貌呈長垣狀單斜山地貌,沿北西-南東向分布。礦區位于順向斜坡一側頂部,南西側較高,北東相對較低,區內海拔最高點位于礦區西南部的一座凸起的山頂,海拔為1421.1 m。區內海拔最低點位于礦山北部的一條凹陷的溝壑中,海拔為1284.3 m。兩個地點的高差值為140 m,由于部分區域位于地表封閉圈以外,開采形成終了臺階后,終了邊坡高度不是140 m,而是97 m。

臺階高度主要與鏟裝設備、礦巖性質有關,根據該礦開采方式及產品方案,荒料加工成條石及塊石,設計生產臺階高度為10 m,靠幫后并段為12 m。臺階坡面角主要與礦巖力學性質有關。礦區邊坡主要由半堅硬-較堅硬灰巖及淺部表土及風化層組成,根據該礦礦巖力學性質,西南幫沿礦層底板開采,清掃平臺及N剖面線東北段臺階坡面角取70°,其余上部風化層臺階坡面角取60°。在端幫和非工作幫的位置設置安全平臺和清掃平臺,可以攔截上部臺階滾石,根據邊坡穩定性需求及清掃設備規格及采場邊坡分布情況設計在西南幫+536 m水平及+500 m水平留設2個清掃平臺,寬度8 m。N剖面線東北段2個臺階之間設置1個安全平臺,寬度4 m。采場最終邊坡主要由半堅硬-較堅硬灰巖組成,根據礦層賦存條件及邊坡穩定性分析計算,礦體沿礦層底板開采,工作幫最終邊坡角22°,其余邊坡高度0～24 m的區域最終邊坡角60°。

1 極射赤平投影邊坡穩定性分析方法

1.1 極射赤平投影原理

赤平投影主要表示表面與線之間的空間方向及它們之間的角距離關系及運動軌跡。這些空間元素被轉換成平面,通過中心水平面交叉得到圓形截面,此方法可直接清晰地在赤平面上反映傾斜平面結構在平面投影的空間組合關系,以此確定不穩定結構的空間位置、分布及比例。這種定量的幾何圖形顯示方式廣泛應用于我國工程地質學領域。在地質條件相對復雜、不容易確定結構參數的前提下,赤平投影法可以起到重要的作用。該方法簡單直觀,可對復雜問題進行有效分析,為后續工程提供參考[6]。

1.2 調查點極射赤平投影分析

巖體構造是控制巖體變形及破壞機制的決定性因素,在各種起源的巖體中,發達的構造面(膠結點、斷層面等)是變形最易發生的部位。該礦山的露頭巖體主要是輕微風化的石灰巖,受該地區多階段的結構作用及風化應力造成的損傷影響,巖體構造面呈現連續直滑,局部粗糙,剪切阻力弱。該地區的巖石層與土壤層的空間分布特性明顯,分界線分布相對穩定。巖體呈層狀局部碎裂狀,通過對巖體結構面特征分析,揭露兩組主要節理:節理組1 m產狀為121°∠67°,節理面起伏形態為平直型,主要為閉合干燥狀態,大部分結構面兩壁之間充填有少量泥質,部分節理面出現水痕,節理面平均間距為0.43 m,平均跡長為8.5 m。節理組2 m,產狀224°∠58°,結構面起伏形態為平直型,大部分節理呈閉合干燥狀態,部分節理內留有水痕,帶有泥質充填節理,其平均間距0.43 m,平均跡長為10.5 m。繪制調查點巖體結構面赤平投影圖與玫瑰圖,如圖1、圖2所示。

圖1 調查點巖體結構面赤平投影圖

根據巖體結構面赤平投影圖與玫瑰圖分析,巖體層面起伏形態為波浪型,呈吻合閉合狀態,因此層面的摩擦角可取經驗值30°,節理面的摩擦角取值為15°。深部微風化灰巖的巖體質量較高,節理裂隙面緊閉無充填,結構摩擦角取值30°,此分析結果可為后續工程穩定性分析計算提供參考。

2 邊坡穩定性分析

根據該礦山現狀地形平面圖,結合無人機形成的礦區現狀照片,選取現狀圖中M-M′剖面參與建模計算,建模采用Slide邊坡分析軟件,利用非圓弧破裂面搜索算法,對最危險滑面進行搜索,采用M-P法對邊坡穩定性系數進行計算,在此基礎上分析邊坡安全性能。

M-P極限平衡分析法是一種考慮巖土條之間相互作用力的非圓弧計算方法,假定豎向作用力與橫向作用力之間的關系為巖土條間橫向作用力與縱向作用力的關系函數,通過考慮彎矩平衡,迭代計算邊坡穩定性系數[7]。該方法對滑動面的形狀、靜力平衡、多余未知數的選定等都不作要求,與其他極限平衡方法相比,更接近于實際情況。通過假定穩定性系數,通過迭代求得相應滑動面的穩定性系數。

根據彎矩平衡求得穩定性系數:

(1)

根據水平力平衡求得穩定性系數:

(2)

(3)

根據以上彎矩及水平力平衡條件,通過Fs迭代計算可得出對應滑動面的穩定性系數。

采用M-P極限平衡分析法,在自重及地震兩種工況下對邊坡剖面的力學穩定性進行分析計算,邊坡穩定性系數計算云圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 自重條件下穩定性系數計算云圖

圖4 暴雨條件下穩定性系數計算云圖

從該剖面在自重條件下穩定性計算云圖可以看出,位于邊坡底部到頂部區域(圖中陰影部分)的穩定性系數最低,為2.543。由于邊坡穩定性系數遠高于邊坡安全系數,邊坡發生整體滑移破壞的可能性較小。圖4是剖面在地震作用下的穩定性計算云圖,該工況條件下顯示,位于邊坡頂部+530 m區域及邊坡底部+490 m區域(圖中陰影部分)的穩定性最低,此處整體邊坡穩定性系數為1.846。兩種工況條件下邊坡的穩定性系數均滿足安全邊坡穩定性系數要求,但是在地震等外部作用下會降低邊坡穩定性,加劇邊坡失穩發生概率,在后續回采過程中要注意礦山爆破對邊坡穩定性的影響。

3 結論

針對新疆某灰巖采石場現狀邊坡,采用極限平衡法對該礦山現狀進行研究,結果顯示,該礦山邊坡均處于穩定狀態,但是局部坡面在開采過程中可能受采動或爆破等綜合作用的影響產生局部垮塌,建議生產過程中加強對各坡面的監測,如發現異常情況(如巖體變形量突增等)應及時處理,避免造成人身財產損失。